MỞ ĐẦU Coenzyme Q10 (CoQ10) là một coenzyme quan trọng trong chuỗi vận chuyển điện tử trên màng tế bào sinh vật nhân sơ và trên màng ty thể của tế bào sinh vật nhân thực được tạo thành từ sự liên kết của vòng benzoquinone với một chuỗi isoprenoid kỵ nước. Coenzyme Q10 có vai trò quan trọng trong quá trình sinh tổng hợp ATP (chất dự trữ năng lượng quan trọng của tất cả các loại tế bào) và là một chất chống oxy hóa mạnh. Do đó, CoQ10 đã được sử dụng nhiều làm thực phẩm chức năng; ứng dụng trong y tế nhằm ngăn ngừa, điều trị nhiều bệnh về tim mạch, tiểu đường, Parkinson, ung thư, tăng hệ thống miễn dịch, giảm huyết áp,. và bổ sung vào mỹ phẩm như một chất chống oxy hóa, chống lão hóa.
Với nhiều ứng dụng có lợi như vậy nên nhu cầu về CoQ10 ngày một tăng lên. Để đáp ứng nhu cầu đó đã có nhiều giải pháp được đưa ra như tổng hợp hóa học, bán tổng hợp và công nghệ sinh học. Do CoQ10 có cấu trúc phức tạp nên hiện nay CoQ10 được sản xuất chủ yếu bằng con đường sinh học nhờ vi khuẩn như A. denitrificans, Cryptococcus laurentii, Tricosporon sp., Sporobolomyces salmonicolor, Rhodobacter sphaeroides,.
Để nâng cao hiệu quả sản xuất CoQ10, nhiều nghiên cứu trên thế giới đã tập trung vào tối ưu hóa quá trình lên men chủng tự nhiên hoặc cải biến chủng từ những năm 1993. Việc cải biến chủng được thực hiện bằng cách gây đột biến ngẫu nhiên hoặc tạo chủng tái tổ hợp. Mặc dù các chủng đột biến có khả năng tổng hợp CoQ10 tăng, tuy nhiên các chủng này rất khó có thể cải biến để tăng thêm hiệu suất. Hiện nay nhiều nghiên cứu đã và đang tập trung vào việc tạo chủng E.
coli tái tổ hợp mang gen mã hóa một số enzyme quan trọng của con đường sinh tổng hợp CoQ10 như dxs, dps. Tuy nhiên, khả năng tổng hợp CoQ10 còn thấp so với các chủng đột biến. Ngoài ra, các chủng E. coli tái tổ hợp không chỉ tổng hợp CoQ10 mà còn tổng hợp cả CoQ8 và CoQ9.
Đây là điều bất lợi đặc biệt là khi sản xuất ở quy mô công nghiệp vì cần rất nhiều bước tinh sạch và hoàn thiện sản phẩm. Vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens là một trong những vi khuẩn đang được sử dụng để sản xuất CoQ10 hiện nay do chúng có nhiều ưu điểm như có hàm lượng 1 CoQ10 tương đối cao so với các vi sinh vật khác, chỉ tổng hợp CoQ10, môi trường nuôi đơn giản, rẻ tiền, phù hợp sản xuất ở quy mô công nghiệp. Chiến lược sử dụng chính chủng Agrobacterium tumefaciens làm chủng chủ để cải biến gen tạo chủng tái tổ hợp có khả năng tổng hợp CoQ10 tăng lên là một giải pháp khả thi và đã bước đầu thành công bởi nhóm nghiên cứu tại Hàn Quốc năm 2008. Ở Việt Nam hiện nay các nghiên cứu về CoQ10 mới chỉ là các nghiên cứu về phân lập các chủng nấm men có khả năng sinh tổng hợp CoQ10 (Đ.
Lương và cs, 2009; Tr. Quyên và cs, 2010). Do đó, chúng tôi thực hiện đề tài: “Tách dòng và biểu hiện gen dps mã hóa Decaprenyl Diphosphate Synthase từ Agrobacterium tumefaciens” phục vụ phát triển chủng A. tumefaciens tái tổ hợp cho sản xuất CoQ10, với các mục tiêu sau: - Tách dòng thành công gen dps mã hóa Decaprenyl Diphosphate Synthase.
- Tạo cấu trúc biểu hiện gen dps tái tổ hợp phù hợp chủng chủ Agrobacterium tumefaciens. - Tạo chủng Agrobacterium tumefaciens mang cấu trúc biểu hiện tái tổ hợp. Nội dung nghiên cứu: - Tách DNA tổng số từ A. - Phân lập gen dps mã hóa decaprenyl diphosphate synthase từ A.
- Tách dòng gen dps vào vector biểu hiện. tumefaciens tái tổ hợp mang vector biểu hiện chứa gen dps. - Nghiên cứu tổng hợp CoQ10 từ chủng A. tumefaciens tái tổ hợp.
Tính chất, vai trò và ứng dụng của CoQ10 1. Tính chất của CoQ10 CoQ10 là một chất dinh dưỡng giống vitamin có vai trò quan trọng trong sản xuất năng lượng tế bào; thường được coi là là một ubiquinone do cấu trúc hóa học và được phân bố rộng rãi trong tự nhiên. CoQ10 được phát hiện ra bởi tiến sỹ Frederick L. Crane ở đại học Wisconsin vào cuối những năm 1950, trong nghiên cứu của ông về hóa sinh học của chuỗi vận chuyển điện tử ty thể, còn gọi là chuỗi hô hấp.
Hợp chất này được gọi là coenzyme Q10 vì có cấu trúc quinone và chuỗi bên 10 tiểu phần isoprene. Vai trò của CoQ10 trong chuỗi vận chuyển điện tử được miêu tả lần đầu bởi tiến sỹ Peter Mitchell, người Anh – đã đoạt giải Nobel cho nghiên cứu của mình. Cấu trúc hóa học của coenzyme Q10. và cs, 2007) 3 Một số đặc tính hóa lý của CoQ10 được thể hiện ở bảng 1.
Tính chất của Ubiquinone (CoQ10) Trạng thái Tinh thể màu cam (ở nhiệt độ phòng) Công thức phân tử C59 H90 O4 Khối lượng phân tử 863,358 Nhiệt độ nóng chảy 49oC Tính tan Không tan trong nước Tan ít trong dầu và chất béo Tan trong các dung môi không phân cực Bảng 1(b). Tính chất của Ubiquinol (CoQ10 H2) Trạng thái Dạng bột tinh thể màu từ trắng cho tới vàng rất nhạt Công thức phân tử C59H92 O4 Khối lượng phân tử 865,37 Nhiệt độ nóng chảy 49,5°C Tính tan Không tan trong nước Tan ít trong dầu và chất béo Tan trong các dung môi không phân cực Các hợp chất CoQ phân bố rộng rãi trong tự nhiên, từ vi sinh vật tới thực vật và động vật (bao gồm cả con người). Ở người và một số loài khác, chuỗi phụ được cấu tạo từ 10 tiểu phần isoprene và được gọi tên là CoQ10. Thịt từ các cơ quan như tim và cơ chứa nhiều CoQ10 nhất.
Nói chung, các mô với nhu cầu năng lượng cao chứa lượng CoQ10 khá lớn. Trong các thực phẩm có nguồn gốc thực vật, cây bông cải xanh (broccoli) và rau bi-na (spinach) chứa lượng khá lớn CoQ10. Một số dầu thực vật thô như dầu đậu nành và dầu cọ cũng là nguồn thu tốt CoQ10. CoQ10 được tổng hợp trong cơ thể như thế nào? CoQ10 tồn tại trong hầu hết tế bào của cơ thể và trong hệ tuần hoàn (trong các lipoprotein).
Thực tế mọi tế bào đều có khả năng tổng hợp CoQ10. Sự tổng hợp nội sinh CoQ10 là một quá trình rất phức tạp cần nhiều vitamin như vitamin B6, 4 vitamin B12, folic acid, niacinamide, pantothenic acid, vitamin C, và một số khoáng chất. Cấu trúc vòng quinone được tạo ra từ amino acid tyrosine, các nhóm methyl trên vòng được cung cấp bởi methionine, và chuỗi phụ isoprene thu được từ con đường mevalonate. Do đó, quá trình tổng hợp CoQ10 phụ thuộc vào một nguồn cung cấp đầy đủ rất nhiều tiền chất và cofactor, và sự thiếu một hoặc nhiều các thành phần cần thiết này có thể ảnh hưởng xấu đến quá trình sinh tổng hợp CoQ10.
Gây thiếu hụt lượng CoQ10 cần thiết cho cơ thể. CoQ10 được hấp thụ vào cơ thể như thế nào? CoQ10 là một chất béo tan và vì thế nó được hấp thụ giống như bất kỳ chất béo nào khác trong khẩu phần của chúng ta. Quá trình tiêu hóa giúp giải phóng ra CoQ10 từ hỗn hợp thức ăn. Với CoQ10 nguyên chất, thì quá trình tiêu hóa dạ dày là không cần thiết.
Trong ruột non, quá trình tiết từ tuyến tụy và mật làm dễ quá trình chuyển thành thể sữa (emulsification) và tạo mixen – đây là 2 quá trình cần thiết cho sự hấp thụ của chất béo theo ruột non. Không có cơ chế vận chuyển “chủ động” cho quá trình hấp thụ chất béo. Khi CoQ10 được thấm bởi các tế bào biểu mô ruột, nó được vận chuyển theo hệ bạch huyết như một phần của hạt nhũ trấp (chylomicron) và cuối cùng được hấp thu bởi gan để đóng gói vào các hạt lipoprotein và được giải phóng vào hệ tuần hoàn. Vai trò của CoQ10 Chức năng quan trọng nhất của CoQ10 trong cơ thể chúng ta là sản xuất năng lượng tế bào.
Hợp chất này là 1 thành phần quan trọng của ty thể mà có mặt trong mọi tế bào trong cơ thể chúng ta. Ty thể có thể được xem như là các tế bào nhiên liệu nơi mà năng lượng sinh học (ATP - adenosine triphosphate) được tạo ra. CoQ10 cũng là một chất chống ôxy hóa tốt và nó giúp bảo vệ các mô và các thành phần tế bào trong cơ thể không bị sự phá hủy bởi các gốc tự do. Ngoài ra, CoQ10 cũng có những chức năng quan trọng khác trong cơ thể.
5 Hoạt động của CoQ10 trong cơ thể CoQ10 là một thành phần quan trọng của chuỗi vận chuyển điện tử (chuỗi hô hấp) trong ty thể nơi mà năng lượng thu được từ quá trình phosphoryl hóa ôxy hóa các sản phẩm của quá trình trao đổi chất axit béo, protein và carbohydrate được chuyển thành năng lượng sinh học (ATP - adenosine triphosphate) điều khiển bộ máy tế bào và tất cả các quá trình tổng hợp sinh học. CoQ10 có chức năng như là một cofactor quan trọng trong các hoạt động của hệ thống enzyme được gọi là phức hệ I, II và III trong chuỗi vận chuyển điện tử. Nó vận chuyển điện tử từ phức hệ I (nicotinamide adenine dinucleotide dehydrogenase) và phức hệ II (succinate dehydrogenase) tới phức hệ III (ubiquinone-cytochrome c reductase) bằng tác dụng của đặc tính ôxy hóa khử của nó. Nó tham gia toàn bộ quá trình trên của quá trình vận chuyển điện tử thuộc chuỗi vận chuyển điện tử, mà tại đó năng lượng sinh học cần cho sự sống như ATP được tạo ra.
Do đó, CoQ10 có vai trò quan trọng trong năng lượng sinh học của tế bào. CoQ10 cũng là một chất chống ôxy hóa tan trong chất béo quan trọng và nó giúp bảo vệ các cấu trúc sống khỏi sự phá hủy của gốc tự do từ cả hai nguồn nội sinh và ngoại sinh. CoQ10 cũng có nhiều chức năng quan trọng khác trong cơ thể. Nó giúp duy trì độ ổn định của màng và có một vai trong trong tín hiệu tế bào (cell signaling).
Vai trò của CoQ10 đối với sức khỏe con người? Do có vai trò quan trọng trong năng lượng sinh học tế bào và là một chất chống ôxy hóa quan trọng, CoQ10 có vai trò cần thiết cho sự sống. Bời vì nó tham gia vào sinh lý bệnh học của nhiều trạng thái bệnh, cho nên đảm bảo một lượng đủ CoQ10 là cần thiết để duy trì sức khỏe tốt và phòng chống cũng như giảm thiểu nguy cơ của nhiều bệnh do lão hóa và trao đổi chất mãn tính. Ứng dụng của CoQ10 CoQ10 được sử dụng như là một chất làm giảm sự phá hủy do ôxy hóa ty thể. Sử dụng CoQ10 đường uống có thể có tác dụng vào ty thể, nhưng chỉ đối với một lượng hạn chế.